Putkikäyrän vaurioanalyysi · 2018. 10. 2. · Työssä tarkasteltiin tribologiaa tieteenalana ja tutkittiin kulumismekanismeja tarkemmin ja niiden alaluokkia, kuten abrasiivista

Sara Aydar

Putkikäyrän vaurioanalyysi

Metropolia Ammattikorkeakoulu

Insinööri (AMK)

Kemiantekniikka

Insinöörityö

2.5.2016

Tiivistelmä

Tekijä Otsikko Sivumäärä Aika

Sara Aydar Putkikäyrän vaurioanalyysi 39 sivua + 1 liite 2.5.2016

Tutkinto Insinööri (AMK)

Koulutusohjelma Kemiantekniikka

Suuntautumisvaihtoehto

Ohjaajat

Lehtori Juha Kotamies Projekti-insinööri Pekka Saranpää Diplomi-insinööri Oskari Ryti

Kemiantekniikan insinöörityö suoritettiin Metropolia Ammattikorkeakoululle. Työn tarkoituk-sena oli tehdä vaurioanalyysi eräästä prosessilaitoksessa käytetystä prosessiputkiston kah-desta hiiliteräsputkikäyristä, joista yhdessä on läpireikä. Tarkoituksena on määrittää reiän synnyn syy: kavitaatio vai eroosio. Työssä tarkasteltiin tribologiaa tieteenalana ja tutkittiin kulumismekanismeja tarkemmin ja niiden alaluokkia, kuten abrasiivista sekä adhesiivista kulumista. Kuluminen määräytyy kuor-man, lämpötilan, liikkeen, materiaaliominaisuuksien, pinnankarheuden ja muiden ympäris-tötekijöiden kautta. Vaurioanalyysin teko rikkoutuneesta laitteista tai komponentista on tärkeää tulevaisuuden kannalta, sillä kun selvitetään vaurion syy, osataan tunnistaa vältettävät olosuhteet ja pyri-tään suunnittelemaan parempia laitteita tai komponentteja, joilla on pitempi käyttöikä.

Työn aikana keskityttiin enemmän reiälliseen putkikäyrään, joten ehjä putkikäyrä toimi pel-kästään vertailukohteena. Putkikäyrät nimettiin ja sahattiin pieniin osiin sahalla sekä laikka-leikkurilla, jotta putkikäyrien sisäpinta olisi helpommin tarkkailtavissa. Sahaukset suoritettiin Leiritien toimipisteellä. Tämän jälkeen kulumisjäljet katsottiin stereo-, valo- ja pyyh-käisyelektronimikroskoopilla Kalevankadun toimipisteellä. Kulumisjälkiä verrattiin kirjallisuu-teen. Jäljet olivat epämääräisiä; selektiivinen korroosio oli mahdollinen reiän aiheuttaja. Tä-ten päädyttiin tutkimaan myös mikrohien poikkileikkausta. Tutkimuksen tuloksien perusteella tultiin johtopäätökseen, että putkikäyrän reiän oli aiheut-tanut kavitaatio. Kavitaatiota voidaan estää muun muassa pienentämällä nesteen pintavoi-mien vaikutusta.

Avainsanat eroosio, kavitaatio, korroosio, kuluminen, kulumismekanismi, putkikäyrä, tribologia, vaurioitumisanalyysi

Abstract

Author Title Number of Pages Date

Sara Aydar Failure Analysis for Elbow Pipe 39 pages + 1 appendix 2 May 2016

Degree Bachelor of Engineering

Degree Programme Chemical Engineering

Specialisation option

Instructors

Juha Kotamies, Lecturer Pekka Saranpää, Project Engineer Oskari Ryti, Master of Science (Technology)

The Bachelor’s thesis in chemical engineering was conducted for the Metropolia University of Applied Sciences. The objective of the thesis was to conduct a failure analysis of two carbon steel elbow pipes that were used in the pipe lines of a process plant. One of the pipes had a hole that went through its shell. The objective of the analysis was to define the cause of the hole: cavitation or erosion. The task examined tribology as a form of science and further examined degradation mech-anisms and their subclasses such as abrasive and adhesive degradation. Degradation is defined by load, temperature, material properties, surface grain and other environmental factors. Damage analysis of a broken device or component is essential for future planning. When reasons for damage have been examined and solved, conditions that must be avoided can be identified so that better and longer lasting devices and components can be designed in the future. During the task more focus was put on the elbow pipe with the hole and so the intact pipe was used merely for comparison. The elbow pipes were named and sawed into smaller pieces using a saw and a cutoff saw in order to more thoroughly examine the inside surface of the pipes. The cutting was done at the Leiritie campus. After this the degradation marks were examined at the Kalevankatu campus using stereo-, light-, and scanning electron mi-croscopes. Degradation marks were compared to published literature. The marks were non-specific; selective corrosion was a possible cause for the hole. Thus the decision was made to also examine the cross-section of the metallographic specimen. Based on the results of the examination the conclusion was made that the hole in the elbow pipe were caused by cavitation. Cavitation can be prevented among other things by reducing the effects of surface tension in liquids.

Keywords erosion, cavitation, corrosion, degradation, degradation mechanisms, elbow pipe, tribology, failure analysis

ALKUSANAT Tämä työ tehtiin Metropolia Ammattikorkeakoululle keväällä 2016. Haluaisin kiittää kaikkia niitä, jotka olivat apuna tämän työn teossa: opinnäytetyöni ohjaajaa lehtori Juha Kotamiestä käytännön ja kokeellisen osion ohjauksesta, projekti-insinööri Pekka Saran-päätä pintakäsittelylaboratoriossa ohjauksesta sekä diplomi-insinööri Oskari Rytiä SEM:n käyttöavusta. Haluaisin myös osoittaa kiitokseni koulutussuunnittelija Liisa Heikkilälle hyvin kärsivälli-sestä ohjaamisesta opinnäytetyöni ja valmistumisprosessini aikana. Erityiskiitokset kuuluvat perheelleni sekä läheisilleni, jotka tukivat ja kannustivat minua opintojeni aikana. 2.5.2016 Helsinki Sara Aydar

Sisällys

Lyhenteet

1 Johdanto 1

2 Tribologia 1

3 Kuluminen 2

3.1 Kulumisluokat 3

3.2 Kulumisen mittaus 6

3.3 Kulumistyypit 6

3.4 Kulumismekanismit 7

3.4.1 Abrasiivinen kuluminen, hiontakuluminen 8

3.4.2 Adhesiivinen kuluminen, tartuntakuluminen 8

3.4.3 Pinnan väsyminen 9

3.4.4 Tribokemiallinen kulumismekanismi 10

4 Putkikäyrät 10

5 Kulumisvaurioiden analyysi 12

6 Työn kulku 13

6.1 Putki 1 17

6.2 Putki 2 18

6.3 Mikroskoopit 21

6.3.1 Stereo- ja valomikroskooppi 22

6.3.2 Elektronimikroskooppi 22

6.4 Vertailukohteet 25

7 Tulokset ja tulosten tarkastelu 31

8 Johtopäätökset 38

Lähteet 39

Liite 1. Yhteydenotto Amer Pipen kanssa 26.4.2016

Lyhenteet

EM Electron Microscope. Elektronimikroskooppi.

SEM Scanning Electon Microscope. Pyyhkäisyelektronimikroskooppi.

Putki 1 Putkikäyrä, joka on ehjä.

Putki 2 Putkikäyrä, jossa on läpireikä.

1

1 Johdanto

Työn tarkoitus on tehdä vaurioanalyysi putkikäyristä, jotka saatiin eräästä prosessilaitok-

sesta. Kaksi putkikäyrää oli poistettu eräästä prosessista, ja yhdessä putkikäyrässä on

läpireikä. Työssä määritetään läpireiän aiheuttaja - kavitaatio vai eroosio. Ehjää putki-

käyrää käytetään vertaamaan kyseiseen putkikäyrään.

Työ tehdään Metropolia Ammattikorkeakoululle lehtori Juha Kotamiehen toimeksian-

nosta. Työn kokeellinen osa suoritetaan pintakäsittely- ja konetekniikkalaboratorioti-

loissa. Putkikäyristä sahataan paloja, joiden kulutuspintaa tutkitaan mikroskoopilla ja

SEM:llä sekä lopuksi tutkimustuloksia verrataan kirjallisuuteen.

2 Tribologia

Tribologia (kreik. tribos, hankaus) on tieteenala, joka tutkii pintojen vuorovaikutuksiin liit-

tyvää tekniikkaa, kun pinnat liikkuvat toisiinsa nähden. Kun pinnat ovat toistensa lähei-

syydessä, joko suoraan tai väliaineen kautta, pinnat alkavat vaikuttaa toisiinsa. Kuvassa

1 on Jostin komitean raportti Voitelusta, jossa mainittiin tribologia ensimmäisen kerran

vuonna 1966.

Kuva 1. 50 vuotta vanha Jostin komitean raportti. [1]

2

Tribologian tärkeimmät osa-alueet ovat kitka, kuluminen sekä voitelu. Tässä työssä kä-

sitellään tarkemmin kulumista. Tribologisen kosketuksen esimerkkejä ovat hammas-

pyörä, laakeroinnit tai lastuava työstö. Hammaspyörissä siirretään voimaa kappaleiden

välillä, laakeroinnissa ohjataan mekaanisesti kappaleiden liikeratoja ja lastuavalla työs-

töllä muutetaan kappaleiden muotoa [2, s. 17.]

Suomen tribologiayhdistys määrittelee tribologian seuraavasti:

Tribologia on tieteenala, joka käsittelee toisiinsa nähden liikkuvien pintojen vuoro-vaikutuksia ja niihin liittyvää teknologiaa eli pääasiassa kitkaan, kulumiseen ja voi-teluun liittyviä ilmiöitä [2, s. 11].

Kun kaksi pintaa liikkuu toisiinsa nähden, keskeisimmät osatekijät ovat

pintojen välillä vaikuttavat voimat

energian kulutus

materiaalien fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien muutokset

pintojen topografian muutokset

irtoavien kulumishiukkasten synty, muokkaus ja poisto tai pintojen väliin jääminen

[3, s. 7].

3 Kuluminen

Kun kaksi pintaa koskettavat toisiaan, liikkuvien pintojen välillä tapahtuu sellaista vuoro-

vaikutusta, että niiden pinnoilta ilmenee materiaalihäviötä. Tällaista materiaalihukkaa

kutsutaan kulumiseksi.

Taloudelliselta kannalta kulumisen vähentäminen tai sen poistaminen on tärkeää. Esi-

merkiksi Iso-Britanniassa valtio menetti pelkästään kulumisen takia n. 2 Mrd. puntaa vuo-

den 1988 arvioinnin mukaan [2, s. 97].

3

Taulukko 1. Eri kulumistavat

Kulumistapa Määritys

Lievä kuluminen erittäin pienten hapettuneiden kulumishiukkasten irtoaminen koske-

tuspinnasta

Tasainen kuluminen sisäänajokulumisen jälkeen tasainen materiaalihukka kuormituksen

pysyessä muuttumattomana

Voimakas kuluminen suhteellisen suurten, pääasiassa hapettumattomien kulumishiukkas-

ten kosketuspinnasta

Tuhoisa kuluminen pinnan nopea kuluminen, joka lyhentää huomattavasti koneenosan

kestoikää. Voimakasta plastista muodonmuutosta esiintyy koko kos-

teuspinnalla

Yllä olevaa taulukkoa 1 käytetään myöhemmin työssä kuvaamaan putkikäyrien kulumis-

tapaa.

3.1 Kulumisluokat

Kuluminen luokitellaan erilaisiin kulumismekanismeihin. Päätyypit ovat kulumisen ai-

heuttava suhteellinen liike ja kulumismekanismi. Lujuusopillisesti kulumista voidaan tar-

kastella ulkoisten kuormitusten seurauksena (puristus, taivutus, veto ja vääntö) ja tuhou-

tumismekanismin aikaansaannoksena (hauraana murtumana). [2, s. 101.]

4

Kulumista aiheuttavaa liikettä voi olla

eroosiota

iskukulumista

kavitaatiota

liukumista

vierivää kosketusta

värähtelykulumista.

Kulumismekanismeja ovat

abrasiivinen kuluminen, hiontakuluminen

adhesiivinen kuluminen, tartuntakuluminen

pinnan väsyminen

tribokemiallinen kuluminen.

Alla olevassa kuvassa 2 on luokiteltu kuluminen kulumistyypin ja -mekanismin mukaan.

5

Kuva 2. Kulumisluokittelu. Moderneissa jaotteluissa käytetään kulumiskarttoja. [2, s. 102]

6

3.2 Kulumisen mittaus

Kulumista mitataan suhteellisena arvona, jossa kulunut materiaalin tilavuus V suhteute-

taan liukumismatkaan s alla olevan kuvan 3 mukaan.

Kuva 3. Liukumismatkan funktiona kulumistapahtuma. [2, s. 103]

Liikkeen alku, sisäänajovaihe, kulumiskäyrä on jyrkkä ja kuluminen on voimakasta. Ta-

sapainotilassa, A-pisteen saavutettua kosketuspintojen pinnankarheudet ovat tasoittu-

neet ja kosketuskohdasta pinnan epäpuhtaudet ovat lähteneet irti. Lopussa kulumis-

käyrä on suora, eli kuluminen on vakiota. [2, s. 103.]

3.3 Kulumistyypit

Eroosiota tapahtuu, kun kuluttavan aineen liike-energia aiheuttaa abrasiivista kulumista,

eli kun kiinteä kappale kuluu kiinteiden hiukkasten ansiota kaasu- tai nestevirrassa. Se

voi näkyä kavitaationa tai partikkelieroosiona.

Kavitaatiossa höyrystyneet kaasukuplat romahtavat kohdatessa paineiskuja nestevir-

rassa, jolloin kappaleen pinta kuluu. Tarkemmin kuvattuna pinnan kuluminen johtuu ky-

seisen hajoamisen aiheuttamien paineiskujen ja korkeiden lämpötilojen takia. Jotta voi-

7

daan välttää kyseinen kulumismekanismi, on nesteen pintavoimien vaikutus pienennet-

tävä ja on rakenteet suunniteltava niin, että systeemissä olisi sopivan korkea paine ja

suunniteltu virtausnopeus jakaantuisi tasaisesti, jotta höyrykuplat eivät muodostuisi. [2,

s. 14; 4, s. 5.]

Partikkelieroosiossa neste- ja kaasuvirrassa kulkeutuu sekä kiinteitä että nestemäisiä

partikkeleita, jotka virran mukana kuluttavat kappaleen pintaa. Sitkeät ja kimmoisat ma-

teriaalit kestävät eroosiota paremmin kuin kovat ja hauraat materiaalit silloin kun virtaava

materiaali kulkee suoraan kuluvalla materiaalilla. Alla olevassa kuvassa 4 kuvataan is-

keytymiskulman pienentymistä, abraasioliukumista, joissa kovat materiaalit kestävät ku-

lutusta paremmin kuin kimmoisat materiaalit. [4, s. 5.]

Kuva 4. Kvartsihiekan eroosiivinen kulumiskoe iskeytymiskulman vaikutuksesta eri materiaa-leissa ylimmästä alimpaan: valettu sulabasaltti, kovavalu, karkaistu teräs, pehmeä teräs, luonnonkumi ja polyesteritekokumi. [4, s. 5]

3.4 Kulumismekanismit

Kahden liikkuvan osan välissä, kosketuskohdassa, kulumista tapahtuu eri tavoin.

Kuorma, liike, materiaali, pinnankarheus, lämpötila sekä eri ympäristötekijät määrittävät

kulumistyyppiin. Teollisuudessa kulumisvaurioiden syyt jakaantuvat seuraavasti:

55 % kulumisesta on hiontakulumista eli abrasiivista kulumista.

8

15 % kulumisesta on tartuntakulumista eli adheesiivista kulumista.

15 % kulumisesta on väsymiskulumista.

15 % kulumisesta on tribokemiallista kulumista. [4, s. 3.]

3.4.1 Abrasiivinen kuluminen, hiontakuluminen

Kun materiaalia irtoaa kappaleen pinnasta irtonaisten partikkeleiden takia, sitä kutsutaan

abrasiiviseksi kulumiseksi. Kuvassa 5 näkyy eri hiontakulumismekanismeja.

Abrasiivinen kuluminen jaetaan kolmeen ryhmään kulumisen voimakkuuden perusteella:

kovertavaan, jauhavaan ja naarmuttavaan kulumiseen. Naarmuttava kuluminen on lievin

hiontakuluminen. [3; s. 19, 74.]

Kuva 5. Eri hiontakulumismekanismeja vasemmalta oikealle: kyntäminen, leikkautuminen ja hauraasti murtuminen. [4, s. 4]

3.4.2 Adhesiivinen kuluminen, tartuntakuluminen

Adhesiivinen kuluminen on sitä, kun toisiinsa suhteen liukuvat pinnat alkavat irrottaa ma-

teriaalia adhesiivisten liitosten leikkautuessa ja siten muodostaa partikkeleita, jotka ku-

luttavat kappaleen pintaa. Alla olevassa kuvassa 6 ilmenee kyseinen ilmiö.

9

Kuva 6. Adhesiivinen kuluminen. [4, s. 5]

Adhesiivinen kuluminen voidaan jaotella lievään ja voimakkaaseen kulumiseen. Lie-

vässä materiaali irtoaa kappaleiden pinnalta oksideina ja voimakkaassa irtaantuneet par-

tikkelit ovat silmin havaittavia metallilastuja. Pintojen voitelulla voidaan ehkäistä tartun-

takulumista. [4, s. 5.]

3.4.3 Pinnan väsyminen

Kun kaksi pintaa liikkuvat toistensa suhteen, pintojen väliset voimat aiheuttavat materi-

aaliin muutoksia pitkällä aikavälillä. Kun tarpeeksi monta kertaa tällaisia muodonmuutok-

sia tapahtuu samoissa kohdissa, pinta väsyy ja pyöreähköjä hiukkasia alkaa irrota koh-

dista, joissa on korkeimmat leikkausjännitykset, kuten alla olevassa kuvassa 7 esitetään.

[4, s. 7.]

Kuva 7. Väsyminen liukuvassa vuorovaikutuksessa. [4, s. 7]

10

3.4.4 Tribokemiallinen kulumismekanismi

Tribokemiallista kulumista tapahtuu, kun metallipinta on ympäristönsä kanssa synnyttää

reaktiotuotekerroksen, joka kuluu pintojen kosketusvuorovaikutusten takia. Kun kysei-

nen reaktiotuote on rikkoutunut ja siten alla oleva metallipinta paljastuu, se reagoi jälleen

ympäristöönsä muodostaen jälleen uuden kerroksen.

Yksi tribokemiallisen kulumisen tyypeistä on värähtelykuluminen. Siinä edestakainen

liike (0,1 1 mm), pieniamplitudinen liike, muodostaa partikkeleita adhesiivisten liitosten

liikkeiden seurauksesta, kuten kuvassa 8. Kyseiset partikkelit joko hapettuvat tai muok-

kauslujittuvat. [4, s. 7.]

Kuva 8. Värähtelykuluminen. [4, s. 8]

Seuraavien menetelmien avulla pintojen välinen adheesioilmiö voidaan estää: hiilitype-

tys, typetys, kovakromaus, fosfatointi, pinnoitus PTFE:llä ja kiinteiden voiteluaineiden

käyttö [4, s. 8].

4 Putkikäyrät

Putket ovat hiiliterästä, materiaaliluokkaa A106. Putken käyrät ovat halkaisijaltaan 4” ja

niiden nimellisseinämä on 6,02 mm. Putkien alkuperäisessä prosessilaitoksessa, putki-

11

käyrien sisältönä on ollut pelkästään lauhdevettä, jonka lämpötila on vaihdellut lämpöti-

lojen 60 °C ja 100 °C:n välillä. Toisessa putkessa on läpireikä. Syynä epäillään joko

eroosiota tai kavitaatiota, sillä putken sisällä kulkeneessa virtauksessa on ollut höyryä

kuuman veden joukossa. Kuvassa 9 molemmat putkikäyrät.

Liitteessä 1 on yhteydenotto yhdysvaltalaisen putkituottajan Amer Pipen asiakaspalveli-

jan kanssa. Putkikäyrien mukana tulleesta tietolähteestä ei selvinnyt, mitä luokkaa hiili-

teräs A106 oli, joten liitteestä saadaan selville, että käytettävät hiiliteräsputkikäyrät ovat

luokkaa B perustuen niiden yleisyyteen teollisuudenaloilla, joten käytetään sitä tietoa hii-

literäs A106:n määrittämiseen. Hiiliteräs A106 soveltuu muun muassa hyvin taivutuk-

seen, laippakiinnitykseen sekä hitsattavaksi. Hiiliteräksen murtolujuus on minimissään

60 000 psi eli 414 MPa sekä myötörajan arvo on vähintään 35 000 psi eli 241 MPa [5].

Kuva 9. Opinnäytetyössä tutkittavat putkikäyrät.

12

Taulukko 2. Hiiliteräksen A106 kemiallinen koostumus. [6]

Hiili, C Mangaani, Mn Fosfori, P Rikki, S Pii, Si

max. 0,30 % 0,29-1,06 % max. 0,035 % max. 0,035 % min. 0,10 %

Kromi, Cr Kupari, Cu Molybdeeni, Mo Nikkeli, Ni Vanadiini, V

max. 0,40 % max. 0,40 % 0,15 % max. 0,40 % min. 0,08 %

Hiiliteräs sisältää ferriittiä sekä perliittiä. Ferriitti (α-Fe) on raudan ja metalliseosten tila-

keskeinen kuutio, tkk-hila. Se ei ole kovaa materiaalia, joten se ei lujitu voimakkaassa

muokkauksessa. Perliitti on teräksen mikrorakenne, joka muodostuu austeniitista ferriitti-

ja sementiitistä ja esiintyy ohuina lamelleina. Kulumisen kannalta korroosiota tapahtuu

metallipinnoilla selektiivisesti perliittipesäkkeisiin. [7.]

5 Kulumisvaurioiden analyysi

Jotta tulevaisuudessa voitaisiin ennakoida tai edes välttää vaurioita, on hyvä tehdä vau-

rioanalyysi. Vaurioanalyysin avulla selvitetään vaurion syy ja jatkossa osataan välttää

tietynlaisia toimintoja, joiden seurauksena on vaurio, kuten tässäkin työssä on reikä put-

kikäyrässä.

Analyysin avulla tuotekehitysvaiheessa muodostuneet vauriot suuntaavat suunnittelun

kestävämpään tuotteeseen, laitteiden kuormankesto ja kestoikä paranee ja koneiden yl-

lättäviä vaurioita osataan ennakoida [2, s. 342].

13

Kulumisen jäljet näkyvät eri tavalla eri kulumismekanismeilla:

Abrasiivinen kuluminen: kulutuspinnassa on kyntämisen tai lastuamisen jälkiä.

Materiaalin pinnalla näkyy murtumisjälkiä. Virtauksessa virtaa sisällön lisäksi ir-

ronneita partikkeleita tai metallilastuja.

Adhesiivinen kuluminen: kulutuspinnassa on merkittävästi repeytymisen jälkiä.

Virtauksessa virtaa sisällön lisäksi metallilastuja.

Pinnan väsyminen: kulutuspinta on kuoppainen vierimiskosketuksen seurauk-

sena. Virtauksessa virtaa sisällön lisäksi kiiltävää metallihilsettä.

Tribokemiallinen kuluminen: kulutuspinta on kiiltävän näköinen. Virtauksessa vir-

taa sisällön lisäksi metallioksideja. [2, s. 343.]

6 Työn kulku

Työssä tarkastellaan putkikäyrät visuaalisesti. Nimetään putket; Putki 1 ja Putki 2. Putki

1 on toinen niistä kahdesta tutkittavista putkikäyristä, jossa ei ole läpireikää. Putki 2:ssa

on läpireikä. Putket sahataan ja tutkitaan mikroskoopeilla.

Kuva 10. Putki 1 ennen osiin sahaamista.

14

Kuva 11. Putki 2 ennen osiin sahaamista.

Kuvissa 10 ja 11 molemmat putkikäyrät, ennen kuin ne sahataan osiin, jotta sisällä olleet

kulumisjäljet näkyisivät paremmin, joita voitaisiin myöhemmin tarkkailla stereo- ja elekt-

ronimikroskoopilla. Putkikäyrät sahataan osiin kahdessa vaiheessa: ensin isot käyrät sa-

hataan saksalaisella Klaeger Plus 220 -sahalla (kuva 12), jonka jälkeen pienemmiksi

paloiksi Struers Discotom-5 -laikkaleikkurilla (kuva 13).

15

Kuva 12. Klaeger Plus 220 -saha.

Sahauksen aikana sahan ja putkikäyrän väliin suihkutetaan leikkuunestettä, jonka avulla

jäähdytetään sahauskitkan aiheuttama lämpiäminen, jolloin metallilastut eivät tartu sa-

han terään.

16

Kuva 13. Struers Discotom-5 -laikkaleikkuri.

Laikkaleikkurilla saadaan käyristä pienempiä paloja. Leikkurin avulla putkien sisäpintaa

on helpompi tutkia. Seuraavaksi alla löytyy kuvia sahan ja laikkaleikkurin jälkeen.

17

6.1 Putki 1

Kuva 14. Putken 1 sahatut osat.

Kuva 15. Putken 1.1 sahattu osa.

Kuvissa 14 ja 15 putkikäyrän palasia tutkitaan visuaalisesti ja voidaan todeta, että kulu-

minen on lievää Putkessa 1 taulukon 1 mukaan.

18

6.2 Putki 2

Putkessa 2 on reikä, jonka ympärillä on kiiltävä, kuoppainen pinta. Kuvien 16–20 perus-

teella voidaan todeta, että liittyen taulukkoon 1 Putken 2 kulumistyylit muuttuvat radikaa-

listi lievästä tuhoisaan kulumiseen.



19



Kuva 20. Putken 2 sahattu osa.

20

Putkessa 2 reiän kohdalla on tapahtunut tuhoisaa kulumista (kuva 21) sekä sen ympärillä

olevalla alueella voimakasta kulumista liittyen taulukko 1:een. Putkipalassa 2.1 nähdään,

kuinka voimakas kuluminen muuttuu tasaisen viirumaisiin jälkiin. Ne voivat olla joko par-

tikkelivirtauksen jälkiä tai se tarkoittaa sitä, että se on ollut putkivalmistajan virhe. Reiän

toisella puolella on sileää, lievää kulumista.

Kuva 21. Putken 2 osa 2.4, joka on sahattu. Läpireikä.

Putkikäyrän osa 2.4. läpireiän halkaisija mitataan arvoksi 3,6 cm x 1,2 cm. Alla olevasta

poikkileikkauskuvasta 22 näkee, että putkikäyrän seinämät ovat kuluneet todella paljon,

etenkin reiän puoleinen seinämä.

21

Kuva 22. Putken 2.4. poikkileikkaus

Poikkileikkauksen vasemmalla puolella on reikä ja sen seinämän paksuus on 0,1 cm.

Oikean puolen, joka on ehjä, seinämän paksuus on 0,60 cm. Kulumista on siis tapahtu-

nut

∆𝑇𝑠𝑒𝑖𝑛ä𝑚ä = (0,60 − 0,10) 𝑐𝑚 = 0,50 𝑐𝑚 (1)

Kulumista on tapahtunut puoli senttimetriä.

6.3 Mikroskoopit

Putkikäyrien kulumismekanismit eivät selviä, ellei näytekappaleita tutkittaisi mikroskoo-

peilla. Ihmissilmän erotuskyky on suurin piirtein noin 10 µm, joten mikroskooppien käyttö

on välttämätöntä. Mikroskoopeilla katsottaessa läpireiän muodostumisen syy selviää,

kun verrataan kulumisia kirjallisuuksissa oleviin kuviin. Kuvassa 23 on koristeellinen mik-

roskooppi Pariisista vuodelta 1760.

22

Kuva 23. Barokkityylinen mikroskooppi. [8]

6.3.1 Stereo- ja valomikroskooppi

Tavallinen optinen mikroskooppi perustuu aallonpituus 400−700 nm eli näkyvään valoon.

Stereomikroskoopissa on molemmille silmille okulaarit, jolloin tutkivaa kohdetta voidaan

tutkia kolmiulotteisena. [9.]

Valomikroskooppi on tarkempi kuin stereomikroskooppi. Stereomikroskoopilla tutkitaan

näytekappaleita, mutta huomataan, että tarvitaan tarkempia kuvia putkien kulutuspin-

noista. Näytekappaleita tutkittiin Olympus PME3 -valomikroskoopilla. Lopuksi siirryttiin

elektronimikroskooppiin.

6.3.2 Elektronimikroskooppi

Työssä tarvitaan tarkempia yksityiskohtia, joita stereomikroskooppi ei voi näyttää. Elekt-

ronimikroskoopin toiminta perustuu siihen, että verrattuna stereomikroskooppiin, SEM

23

käyttää elektronisuihkua näkyvän valon sijaan [10]. Korkean resoluution sekä laajan sy-

väterävyyden ansiota pyyhkäisyelektronimikroskooppi SEM on hyvä työkalu mm. metal-

liseoksien ja teräsnäytteiden topografisten piirteiden havainnointiin [11]. SEM:n erottelu-

kyky on moderneissa laitteistoissa muutaman nanometrin luokkaa.

Kuvassa 24 levy ja hehkulanka toimivat katodina. Näkyvä hehkulanka asetetaan levyyn,

jossa on pieni reikä. Tämä toimii anodina. Katodin ja anodin välille jännite-ero voi kasvaa

tyypillisesti 200 – 30 000V. Kuvassa 25 näkyy elektronimikroskooppi. Elektronisuihkua

hallitaan kolumnin sisään rakennettujen sähkömagneettisten linssien avulla, joiden

avulla säädetään elektronisuihkua. Detektorien jännitteen ovat erilaiset verrattuna näyt-

teen jännitteeseen. Kuvassa 39 kuvataan kammiota ja kuvassa 40 olevaa näytettä. Kam-

miossa elektronisuihku muodostuu vakuumissa olevassa elektronitykissä ja osuu näyt-

teeseen ja sieltä sitten detektoriin, jossa on pieni ikkuna. Kun elektronit törmäävät siihen

ikkunaan, syntyy valoa. Mitä enemmän elektroneja törmää, sitä kirkkaampi valo. SEM

skannaa elektronien törmäyksiä luoden ns. intensiteettikartan.

Kuva 24. Elektronitykin hehkulanka, josta elektronit irtoavat korkean jännitteen seurauksena.

24

Kuva 25. Elektronimikroskooppi. Mikroskoopin yläpäässä olevan häkin sisällä putkikolumni, jossa on sähkömagneettinen linssi. Edessä oleva putkimainen kappale on SE-detektori, ta-kana BSE-detektori.

25

6.4 Vertailukohteet

Vertaamalla Tribologia – kitka, kuluminen ja voitelu -kirjan [2004, s. 106-121], Analysis

of a SA 516-70 carbon steel boat sample taken from the digester shell wall -raportin

[1995, s. 8–14] sekä ASM - Handbook. Volume 11: Failure Analysis and Prevention -

kirjan [1986, s. 165] kuvia kohtaan 7.1 ja 7.1.1 oleviin SEM-kuviin, ratkaistaan reiän syy.

Kuvissa 26–32 esitetään eri kulumismekanismeja eri pinnoilla.

Kuva 26. Abrasiivisesti kulunut pinta, jossa on kyntämisen jälkiä. [2, s. 110]

26

Kuva 27. Adhesiivinen kuluminen. [2, s. 106]

Kuva 28. Väsyminen hammaspyörän hampaalla. [2, s. 114]

Kuva 29. Tribokemiallinen kuluminen. [2, s. 114]

27

Kuva 30. Iskukuluminen. [2, s. 117]

Kuva 31. Värähtelykuluminen. [2, s. 119]

28

Kuva 32. Kavitaatio. [2, s. 121]

Alla olevat kuvat 33–36 ovat SEM-kuvia hiiliteräksisestä keittokattilan vaipan poikkileik-

kauksesta, jossa selektiivinen korroosio oli aiheuttanut kulumista. Paikoin korroosiokulu-

minen on edennyt syvälle perliittipesäkkeisiin. [13, s. 4].

Kuva 33. SEM-kuva hiiliteräksisestä keittokattilan vaipan poikkileikkauksesta. [13, s. 8]

29



30


Seuraavassa kuvassa 37 on SEM-kuvia siitä, kun monikiteinen elohopeapinta on alttiina

voimakkaalle kavitaatiolle 20 kHz voimakkuuden värähtelytestissä ja kuvassa 38 on ka-

vitaation aiheuttama kuoppainen kulutuspinta ruostumattomalla teräksellä.

Kuva 37. Kohdassa (a) näkyy pieniä kraattereita 5 sekunnin jälkeen. (b) Syvempiä kuoppia 10 minuutin jälkeen. (c) 2 tunnin jälkeen selkeät murtumat näkyvillä. [12, s. 165]

31

Kuva 38. Kavitaation aiheuttama kuoppainen kulutuspinta ruostumattomalla teräksellä. [12, s. 165]

7 Tulokset ja tulosten tarkastelu

Putkipala 2.4 sahataan vieläkin pienempään osaan, jotta se mahtuisi EM:n sisään tutkit-

tavaksi. Ultraäänipesurilla näytekappale pestään rasvat pois, jonka jälkeen voidaan

käynnistää SEM. Saaduilla intensiteettikartoilla voidaan havaita kulumismekanismi ver-

taamalla kirjallisuuteen.

Kuva 39. Pieni pala putkipalasta 2.4.

32

Kuva 40. Kuva putkipalasta 2.4 kammion sisältä. Palanen on sahattu kuvan 39 putkipalasta. Va-semmalta yläkulmalta näkyy elektronisuihkua säätävä sähkömagneettinen linssi.

SEM-kuvat

Seuraavaksi jatketaan putkipalan 2.4 tutkimista seuraavilla SEM-kuvilla. Alla olevissa

kuvissa 41 ja 42 näkyy suomut 16- ja 85-kertaisina. Kulumissyytä ei vieläkään tunnisteta,

joten lisätarkennukset ovat tarpeen. Kulumista esiintyy pieninä halkeamina sekä kuop-

pina. Kuvista 43 sekä 44 ovat 3000- ja 5270-kertaisia, ja niissä esiintyy selkeästi murtu-

mia, jotka muistuttavat raerajoja. Raerajat syntyvät, kun halkeamiin pääsee nestettä.

Halkeamat suurenevat ajan myötä, kunnes rajojen sisälle muodostunut rae irtoaa pin-

nalta virtauksen mukana.

Työssä käytetään Tescan VEGA SEM -elektronimikroskooppia konetekniikan laborato-

riotilassa.

33

SEM-kuvia verrataan kirjallisuuteen, eikä sieltä löydetä yhdenvertaisuuksia välillä. Täten

aikaisemmasta näytteestä leikataan uusi pieni osa, jonka poikkileikkausta tullaan tutki-

maan paremmin. Tämän hiepalan poikkileikkauksella selviää läpireiän syy.

Kuva 41. 16-kertainen SEM-kuva.

34


35


36


Poikkileikkaushietutkimus

Putkipalasta 2.4 valmistettiin mikrohie, jonka mitat olivat noin 1 cm x 1,5 cm poikkileik-

kaushietutkimuksen suorittamiseen. Hiepala tehtiin nappi vihreällä muovilla Struers

Prontopress-20 -painokoneella, jonka jälkeen hiottiin Struers Tegramin-25 -hiomako-

neella ja kiillotettiin timanttiseoksilla. Lopuksi nappi rikottiin, ja tutkittiin mikrohien kiillo-

tettua poikkileikkausta SEM:llä.

37

Kuva 45. Poikkileikkaushien SEM-kuva.

SEM-kuvasta nähdään poikkileikkauksen olevan siisti (kuva 45). Vasemmassa yläkul-

massa näkyy erään suomun poikkileikkaus. Yhtäläisyyksiä ei löydetä kuvien 33–36 vä-

lillä, joten poistetaan selektiivisen korroosion mahdollisuus reiän aiheutumiseen. Kuvat

38 sekä 39 ja kuvat 37 sekä 43 muistuttavat toisiaan. Voidaan siis totea, että kavitaatio

selittäisi läpiaukon aiheutumisen.

38

8 Johtopäätökset

Opinnäytetyön tarkoituksena oli määrittää vaurioanalyysi putkikäyrän läpireiälle ja selvit-

tää sen muodostaneen kulumismekanismin. Työ suoritettiin lehtori Juha Kotamiehen toi-

meksiannosta Metropolia Ammattikorkeakoululle.

Kun jokin laitteista tai komponentista rikkoutuu, on tärkeää tehdä sille vaurioanalyysi.

Analyysin avulla osataan ennakoida laitteelle tai komponentille samat ääriolosuhteet ja

välttyä pahimmissa tapauksissa mahdollisilta tehtaan alasajoilta, jotka voivat tulla kal-

liiksi, riippuen laitteesta tai komponentista. Vaurioanalyysin avulla myös keskitytään

suunnitteluun, jonka avulla voidaan pidentää laitteen tai komponentin käyttöikää.

Työssä tutkittiin Putkea 2, reiällistä putkikäyrää, joka sahattiin pieniin osiin, tutkittiin ylei-

sillä mikroskoopeilla ja päädyttiin tutkimaan Putkea 2 SEM:llä. Tähän työhön vertaile-

vana kohteena oli Putkeen 1. Sahaukset suoritettiin Leiritien toimipisteellä ja SEM Kale-

vankadun toimipisteellä. SEM-kuvista saatiin tuloksia, joita oli verrattava kirjallisuuteen.

Hankaluutena oli löytää vastaavaa SEM-kuvaa pinnan kulumisesta. Jäljet olivat epämää-

räisiä ja johtivat pohdintaan; selektiivinen korroosio voisi olla mahdollinen reiän aiheut-

taja, sillä hiiliteräs sisältää sekä ferriittiä että perliittiä. Tapahtumassa perliitti olisi joutunut

korroosion uhriksi, jolloin se olisi aiheuttanut turbulenttista virtausta, joka itsessään ai-

heuttaisi eroosiota. Tämä haluttiin todistaa - täten päädyttiin tutkimaan mikrohien poikki-

leikkausta.

Putkesta 2 saatujen poikkileikkaushietutkimuksen tuloksien seurauksena varmistettiin

SEM:n avulla, että reiän aiheuttanut syy ei ollut selektiivinen korroosio, kuten aikaisem-

min epäiltiin. Kuvasta 42 nähdään, että kulumispinta on sileän kuoppainen, ja kuvan 45

mikrohien poikkileikkaus on siisti, eikä kummastakaan kuvasta näy selkeitä repeytymi-

sen jälkiä. Tämä päättää tutkimuksen toteamukseen, että Putkeen 2 reiän aiheuttanut

kulumismekanismi oli kavitaatio. Tässä työssä kulumisen aiheuttanut liike oli nestekaa-

suvirtaus, jonka mukana on virrannut irtaantuneet partikkelit putkikäyrän sisäpinnalta.

Kavitaatio voidaan estää muun muassa pienentämällä nesteen pintavoimien vaikutusta.

39

Lähteet

1 VTT Technical Research Centre of Finland. 2016. Friction and Energy Saving. Verkkodokumentti. <http://www.tribologysoci-ety.fi/data/neste2016/TribYhd_VSK_2016_Holmberg.pdf>. Luettu:5.4.2016.

2 Kivioja, S., Kivivuori, S. & Salonen, P. 2004. Tribologia - kitka, kuluminen ja voi-telu. 4. korjattu painos. Hakapaino Oy, Helsinki.

3 Aho, K. 1993. Tribologisia perusasioita. Tekninen raportti 2/93. Tammer-Paino Oy, Tampere.

4 Suomen Metalliteollisuuden Keskusliitto. 1986. Materiaalivalinta – Kulumista kes-tävät materiaalit ja pinnoitteet.

5 Federal Steel Supply, Inc. 2016. ASTM A106 Carbon Steel Pipe Tube. Verkkojul-kaisu. <http://www.fedsteel.com/products/carbon-pipe-and-tube/astm-a106-seamless-carbon-steel-pipe.html>. Luettu:25.4.2016.

6 Prosaicsteel Steel & Alloys. 2010. ASTM A106 Grade B Carbon Steel Seamless Pipe. Verkkojulkaisu. <http://www.prosaicsteel.com/a106_gr_b_car-bon_steel_seamless_pipes.html>. Luettu:29.4.2016.

7 Tampereen teknillinen yliopisto. 2005. Rautametallit. Verkkojulkaisu. <http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_1.php>. Luettu:26.4.2016.

8 Schatzkammer der Optik, Optiches Museum. 2013. Schatzkammer der Optik. Verkkojulkaisu. <http://schatzkammerderoptik.optischesmuseum.de/dt/in-halt.html>. Luettu:25.4.2016.

9 Tieteen Kuvalehti. 2007. Miten elektroni-mikroskooppi toimii? Verkkojulkaisu. <http://tieku.fi/teknologia/tutkimuslaitteet/miten-elektroni-mikroskooppi-toimii>. Lu-ettu:25.4.2016.

10 Wikipedia. 2014. Elektronimikroskooppi. Verkkojulkaisu. <https://fi.wikipe-dia.org/wiki/Elektronimikroskooppi#cite_note-BI5-1>. Luettu:22.4.2016.

11 SEM-applications. Materials Science. Verkkojulkaisu. <http://sem-applica-tions.com/ms/ms.html#steels>. Luettu:22.4.2016.

12 ASM Handbook. 1986. Volume 11: Failure Analysis and Prevention. United States of America.

13 Helsinki University of Tehnology, Faculty of Mechanical Engineering, Laboratory of Engineering Materials. 1995. Analysis of a SA 516-70 carbon steel boat sam-ple taken from the digester shell wall. Espoo. 20 s

Liite 1

1 (1)

Liite 1: Yhteydenotto Amer Pipen kanssa 26.4.2016

JOHN Hello, is there anything I can help you with?

CLIENT Hello. I’m doing my thesis on carbon steel A106. I’m here to get some

data (mechanical properties) of that certain steel. I have only this data:

Elbow pipe 4",

Material: carbon steel A106

Wall thickness 6,02 mm

Content: water between temperatures 60°-100° Celsius

JOHN Min yield is 35,000psi

CLIENT How about tensile strength

JOHN 60,000 minimum

CLIENT So A106 is grade B?

JOHN or Gr. C. 98% of the time people request Gr. B

CLIENT Thank you very much

JOHN You're welcome. Good luck

Documents

Putkikäyrän vaurioanalyysi · 2018. 10. 2. · Työssä tarkasteltiin tribologiaa tieteenalana ja tutkittiin kulumismekanismeja tarkemmin ja niiden alaluokkia, kuten abrasiivista